Рейс выполнялся в рамках «Программы фундаментальных научных исследований
государственных академий наук на 2013-2020 годы (пункт № 75 Мировой океан –
физические, химические и геологические процессы, геология, геодинамика и
минеральные ресурсы океанской литосферы и континентальных окраин; роль океана в
формировании климата Земли, современные климатические и антропогенные изменения
океанских природных систем)».
Главные цели и задачи экспедиционных исследований заявлены в программе
многолетних исследований лаборатории арктических исследований ТОИ ДВО РАН в
соответствии с госзаданием «Изучение изменчивости параметров арктической системы
«литосфера-гидросфера-атмосфера» в тихоокеанском секторе Арктики и Субарктики:
физические, химические, геофизические и геологические аспекты» (№ гос. рег. ААААА17-117030110039-2).
На проведение экспедиции получено «Разрешение на проведение морских научных
исследований» ДН-19-09-21и от 23.07.2019 г.
Работы выполнялись в соответствии с пунктами государственных заданий и других
участников экспедиции от учреждений РАН:
- «Влияние природных и антропогенных факторов на биогеохимические процессы
и состояние биоты в прибрежных экосистемах» (№ гос. рег. АААА-А17-117030110038-5)
(ТОИ ДВО РАН),
- «Проблемы образования и эволюции литосферы океанов и континентов» (№ гос.
рег. 0137-2018-0004), «Биогеохимическая эволюция природных сред в условиях
антропогенного воздействия: от деградации к восстановлению» (№ гос. рег. 0137-2018-
0006) (ГЕОХИ РАН),
- «Осадочная геохимия плейстоцена подводных окраин континентов» ((№ гос. рег.
0137-2018-0008) (ГЕОХИ РАН),
- «Фундаментальные и прикладные аспекты развития комплекса методов анализа
природных, техногенных и космических объектов, диагностика радиационных эффектов и
компьютерное моделирование» (№ гос. рег. 0137-2018-0018) (ГЕОХИ РАН).
Работы также выполнялись в рамках фундаментальных научных исследований по
программам Президиума РАН и грантов:
- грант РНФ «Динамика транспорта и трансформации углерода в арктической
системе суша-шельф-атмосфера в условиях глобального потепления и деградации
мерзлоты», проект № 15-17-20032, продлен до 2019 г., рук. д.г.-м.н. Н.Е. Шахова;
8
- «Использование естественных радионуклидов для исследования эпигенетических
трансформаций геохимических полей на восточно-арктическом шельфе России и их связь
с возможными залежами углеводородов и рудных месторождений» (грант РФФИ, проект
№ 18-05-70047);
- «Динамика неорганической составляющей углеродного цикла и потоков СО2 в
системе океан — атмосфера на шельфе и материковом склоне морей Восточной Арктики:
новые климатические реалии» (грант РФФИ, проект № 18-05-00059),
- «Выявление связи между некоторыми литологическими и биогеохимическими
параметрами, характеризующими транспорт и трансформацию органического углерода
наземного происхождения на Восточно-Сибирском арктическом шельфе» (грант РФФИ,
проект № 18-35-00572),
- «Поисковые фундаментальные научные исследования в интересах развития
Арктической зоны Российской Федерации», проект 1.1.13. «Разработка новых
методов изучения и моделирования распределения и динамики состояния подводной
мерзлоты и эмиссии метана из морей Восточной Арктики»,
- «Развитие биосферы и зарождение жизни на ранней Земле. Взаимосвязь с
изменением климата» (программа РАН 1.17 «Эволюция органического мира. Роль и
влияние планетарных процессов», № 0137-2018-0035),
- «Формы наноструктур углерода и условия их возникновения в природных
процессах» (программа Президиума РАН I.17 «Эволюция органического мира. Роль и
влияние планетарных процессов», № 0137-2018-0036);
Фундаментальные научные исследования по программам Президиума РАН:
- «Поисковые фундаментальные научные исследования в интересах развития
Арктической зоны Российской Федерации», проект 1.1.13. «Разработка новых методов
изучения и моделирования распределения и динамики состояния подводной мерзлоты и
эмиссии метана из морей Восточной Арктики». 1.55 «Арктика — научные основы новых
технологий освоения, сохранения и развития» № гос. рег. 0149-2018-0025 «Развитие
перспективных методов сейсмоэлектроразведки на Арктическом шельфе» (ИО РАН);
- Программа работ лаборатории геофизических исследований Арктики и
континентальных окраин Мирового океана МФТИ (рук. чл.-корр. РАН Л.И. Лобковский).
Основные задачи:
- выявление количественных пространственно-временных изменений потоков
метана из донных отложений в водную толщу и атмосферу в зонах мегасипов
пузырькового метана;
- уточнение масштабов и динамики возрастающей массированной эмиссии метана
вследствие деградации подводной мерзлоты;
- выявление генезиса основных компонентов газожидкостного геологического
флюида разгружающегося в рифтовых зонах и за их пределами;
- изучение геологического строения верхней части осадочной толщи и
сейсмического режима морей Лаптевых и Восточно-Сибирского в районах
массированного газопроявления и предполагаемого развития подводной мерзлоты;
- изучение состояния биологических систем в этих районах;
- характеристика микробных сообществ и определение активности микробных
процессов циклов углерода, метана и серы в донных осадках районов газопроявления;
- изучение и оценка степени асидификации морской воды и влияние данного
процесса на бентическое сообщество;
- изучение гидрологического режима акваторий в пределах районов исследований;
- оценка современного геоэкологического состояния исследуемых акваторий
(включая отбор и изучение микропластика в воде и донных осадках);
- подготовка и обучение аспирантов, магистров, магистрантов и студентов ТПУ,
МГУ, МФТИ, ТОИ и САФУ к морским исследованиям (в рамках работы на борту судна
«Плавучего университета»).
Предварительные научные результаты
В таблице 3 были представлены количественные показатели выполненных работ.
Предварительные результаты по направлениям исследований выглядят следующим
1 Осенью 2019 г. в восточно-сибирских морях выявлено аномальное опреснение
поверхностного слоя, вызванное аномально большой площадью распространения
стокового плюма р. Лены. Севернее Новосибирских островов на удалении 800 км от ее
дельты соленость достигала 19 епс. На период исследований площадь распреснения
превышала 600 тыс. км2.
Исследована термохалинная структура в струе газового сипа на полигоне в
Восточно-Сибирском море. Выявлен интенсивный локальный апвеллинг с вертикальной
скоростью более 20 см/с, обусловленный подъемом газовых пузырьков. Он вызывает
подъем изохалин на 3.5-4 м и аномально высокой турбулентности до 1.5∙10-4
относительно прилегающих участков моря и
На подводном склоне авандельты р. Лены (северная часть) зарегистрировано
поднятие пикноклина с вертикальной скоростью более 7 см/мин. Предполагаемые
причины — ветровой апвеллинг или обрушение внутренних волн. Подобный процесс
также был зафиксирован в октябре 2018 года (рейс № 73 НИС «Академик Мстислав
Келдыш»).
Измерение мгновенных скоростей горизонтальных течений на мегасиповых
полионах в Восточно-Сибирском море не выявило существования стационарных
течений. Горизонтальные компоненты течения здесь контролируются параметрами поля
ветра. В течение суток в одной точке наблюдались течения противоположных
направлений. Так, на горизонтах 20 и 37 м при глубине моря 42 м наблюдались течения
юго-западного направления со скоростями соответственно, 13 и 8 см/с. В период
наблюдений отмечался северо-восточный ветер 10 м/с.
В районе мегасипов акустическим сейсмопрофилированием зафиксированы
разрывы и расслоение термоклина. Они вызваны воздействием на уплотненный слой
потока газовых пузырьков и вовлеченных в этот поток более плотных и холодных
водных масс.
2 Проведены работы по изучению изменчивости распределения гидрохимических
параметров в морской воде, поровых водах донных осадков.
Получены уникальные данные об изменчивости гидрохимических параметров вод
моря в области влияния материкового стока и массированных газопроявлений.
Образцы воды, донных осадков, поровых вод в настоящее время анализируются в
стационарных лабораториях академических институтов, ТПУ и МГУ.
Собран репрезентативный материал о распределении микропластика,
позволяющий представить уровень современного загрязнения Арктики.
3 Отобраны пробы воды, на основании которых впервые будут охарактеризованы
биогеография и филогенетический состав микробных сообществ пелагиали морей
Лаптевых и Восточно-Сибирского. Это позволит обсуждать роль этих микроорганизмов
в круговороте веществ (органических и неорганических) в морской толще исследуемого
региона.
Сравнительный анализ разнообразия микроорганизмов на различных горизонтах
водной толщи и донных осадков в зоне и вне зоны разгрузки метановых сипов позволит,
помимо прочего, выявить влияние пузырькового переноса различной мощности на
структуру и функционирование сообществ.
Из образцов морской воды и донных осадков будут выделены новые
микроорганизмы, задействованные в циклах метана и серы, а анализ in situ активности
функциональных генов, ответственных за продукцию и окисление метана,
сульфатредукцию, позволит на видовом уровне выявить их реальную физиологическую
активность в условиях Арктики.
Поставленный на борту судна эксперимент, моделирующий поступление в море
органического вещества мерзлоты и его разложение микроорганизмами в условиях,
близких к реальным, позволит получить данные о кинетике этого процесса и
охарактеризовать микробные сообщества, задействованные в нём.
Анализ образцов, полученных для изучения состава взвешенного и растворённого
органического вещества водной толщи методами хроматографии и пиролиза, позволит
проследить изменение состава органических веществ по разрезу от устья реки Лены до
континентального склона моря Лаптевых и оценить вклад терригенной и синтезируемой
in situ органики на всём протяжении разреза.
4 Подтверждены и подробно картированы выявленные в предыдущих рейсах
пространственные аномалии растворенного метана. Обнаружены новые области
распространения аномальных концентраций растворенного и атмосферного метана.
Проведены внутрисуточные наблюдения за изменениями концентраций метана во время
штормового перемешивания вод. Исследована внутрисуточная изменчивость
концентраций метана внутри и на периферии газовых струй.
Впервые выполнена высокопрецизионная газогеохимическая съемка концентраций
метана и СО2 в верхнем слое воды по маршруту следования судна, в том
числе в областях пузырьковой разгрузки метана с дискретностью до 20 измерений в
минуту (с технически доступным потенциалом до 60 измерений в минуту).
Внедрены новые аппаратно-технические средства измерений метана в водной
толще, системы контроля и автоматизации измерений. Планируется оформление
нескольких патентов.
5 Высокопрецизионные измерения концентрации метана в приводной атмосфере
выполненные по всему 150000 маршруту движения судна (рис.2) подтвердили
существование мощных потоков пузырькового метана в районах массированной
разгрузки, включая мега-сипы и крупные сипы (Shakhova, Semiletov et al., Phyl. Trans.
Royal Soc., 2015). Такие измерения позволяют выявлять участки локализации областей
повышенной разгрузки метана на дне на шельфе арктических морей. Кратковременные
аномалии этого газа могут указывать на существование мощных источников разгрузки х
непосредственно на трассе движения судна, где они могут быть зарегистрированы
эхолотом. Данные по концентрации метана в воздухе, дополненные информацией о
структуре планетарного проводного слоя, могут использоваться для получения
независимой атмосферной оценки регионального потока метана в атмосферу. Одним из
наиболее ярких результатов экспедиции является открытие мощных струй пузырькового
метана, которые были обнаружены в Восточно-Сибирском море, и приводили к
повышению концентрации метана в тонком 1м приводном слое до 34000ppm (почти в
20000 раз больше, чем среднепланетарная концентрация), и до 16ppm (в 9 раз больше,
чем среднепланетарная концентрация) на высоте 20 метров от уровня моря. Новые
данные, объединенные с предыдущими результатами авторского коллектива
опубликованными в Science (2010), Nature Geoscience (2014), Nature Communications
(2017), дают основания для создания национальной программы направленной на
изучение и оценку роли деградации подводной мерзлоты и выбросов пузырькового
метана в атмосферу в современных и будущих изменений климата.
6 Отмечено неравномерное пространственное распределение содержания Hg(0) в
приводной атмосфере. Наблюдались как продолжительные, так и кратковременные
эпизоды увеличения его содержания. Продолжительные эпизоды (до нескольких суток)
вероятно были обусловлены атмосферным переносом, тогда как короткопериодные
повышения предположительно связаны с влиянием локальных источников. Одно из
таких повышений — напротив Обской губы и предположительно было вызвано эмиссией
Hg(0) от стоковго плюма р. Оби. В Восточно-Сибирском море относительно
непродолжительное повышение содержания Hg(0) в воздухе может объясняться как с
атмосферным переносом Hg(0), так и с выходами газовых факелов на поверхность моря.
Измерения содержания Hg(0) в пробах газа метановых сипов показали, что
среднее различие между содержанием ртути до введения проб газа и после введения
составило 1,6±0,2 нг/м3.
7 Построены вертикальные разрезы донных отложений на выбранных профилях.
На отдельных полигонах, так где проводилось профилирование серией параллельных
разрезов, будет построена трехмерная модель четвертичных отложений. Будут
построены карты распределения фациально-генетических типов поверхностного слоя
донных осадков, определены питающие провинции, описаны особенности
диагенетических преобразований голоцен-верхнеплейстоценовых осадков. Для каждого
выделенного фациально-генетического типа донных осадков будут определены
содержания главных петрогенных элементов, тяжелых металлов и РЗЭ+Y. Будут
определены абсолютные скорости осадконакопления (по неравновесному Pb-210 и
глобальным выпадениям Cs-137).
8 Измерениями показано, что донные осадки акваторий изученных морей имеют
отрицательную температуру (около -1…-1,4оС). Благодаря природной засоленности
донные осадки находятся не в мерзлом, а в охлажденном состоянии (т.е. не имеют
порового льда). Предполагается, что в районах распространения подводной мерзлоты,
которые характеризуются пузырьковой разгрузкой метана существуют сквозные талики.
Отметим, что результаты 5 летней программы по бурению мелководного шельфа моря
Лаптевых (2011-2015гг), которые были выполнены Лабораторией арктических
исследований ТОИ ДВО РАН, при участии ТПУ и МГУ, свидетельствуют о том, что при
глубине моря более 4 метров, кровля подводной мерзлоты была заглублена до 100 метров
и более (Shakhova, Semiletov et al., Nature Communications, 2017).
Предполагается, что в исследуемых районах с глубинами более 100 м,
существование подводной мерзлоты маловероятно. Например, в тальвеге пролива
Вилькицкого, (глубина около 300 м), где температура донных осадков выше температуры
замерзания, около -0,5оС. Осадки верхней части континентального склона моря Лаптевых
(гл. 330 м) характеризуются низкой положительной температурой около +0,4оС, что
является предпосылкой отсутствия современных многолетнемерзлых пород.
Значения теплопроводности и объемной теплоемкости донных осадков варьируют
в пределах 30% и в основном определяются влагосодержанием, степенью литификации
(плотностью и пористостью) и гранулометрическим составом. Средние значения
теплопроводности и объемной теплоемкости для верхнего слоя донных осадков (<0,5 м)
составляют 0,95 Вт/(м·К) и 3,01 кДж/(м3·К) соответственно.
Полученные результаты теплофизических характеристик донных осадков в
совокупности со значениями температуры являются крайне важными параметрами для
моделирования эволюции мощности многолетнемерзлых пород на арктическом шельфе.
Оно позволит установить возможные глубины современного залегания кровли мерзлоты
и оценить возможность существования внутримерзлотных газогидратных образований.
Рассмотренные параметры будут определять верхнее граничное условие и отвечать за
теплообмен пород криолитозоны с вышележащими водными массами при тепловом
моделировании.
Для получения дополнительных характеристик донных отложений арктического
шельфа были отобраны грунтовые монолиты с целью определения их засоленности,
температуры начала замерзания, условий стабильности гидратов и т.д.
9 Отработано 49 станций с отбором биологического материала (включая
зообентос и зоопланктон) и отобрано более 880 образцов для изотопного анализа,
анализа накопления радионуклидов, анализа биоаккумуляции микропластика, а также
молекулярно-генетических исследований. По результатам первичной обработки проб
составлен таксономический список, включающий 111 видов животных. Построены
предварительные карты распределения микропластика в донных отложениях, а также
распределения биомаркеров сообществ метановых сипов (погонофр). Дополнительно
отобран материал для описания сообществ этифауны и эффекта биообрастания на
примере донных сейсмических станций. Образцы переданы для дальнейшей обработки в
стационарные лаборатории. По результатам итоговой обработки проб планируется
написание не менее 3 статей в рецензируемых журналах.
Извлечено и зафиксировано 27 проб мейобентоса из верхнего слоя донных
осадков, предположительно населенных нематодами и представителями подотряда
Harpacticoida. Для исследования фитопланктона было отработано 17 станций, собрано 70
пробы морской воды объемом 1л с четырех горизонтов. Отобрано и зафиксировано
раствором Утермеля 70 проб морской воды объемом 1л с горизонтов 0-64м для
качественного и количественного анализа.
Подготовлены к депонированию в «Морской биобанк» 30 образцов грунта с 6
станций. Подготовленные образцы будут снабжаться обширным информационным
паспортом, размещенным на сайте «Морского биобанка» (http://marbank.dvo.ru) и
являются перспективным материалом для дальнейших исследований, а также
качественным референсным материалом.
10 Получены радиоизотопные данные для определения генезиса опресненных
вод, участвующих в формировании поверхностного пресноводного слоя в Карском море
(Обь, Енисей, малые реки, таяние ледников Новой Земли и Северной Земли, таяние
морского льда, атмосферные осадки) и море Лаптевых (Лена, малые реки, таяние
ледников Северной Земли, таяние морского льда, атмосферные осадки, перенос
опресненных вод из Карского моря). Повышенное содержание радона, существенно
преобладающее над тороном, в районе Обской губы определяет сток рек Обь и Пур в
Карское море. Таким образом, радон является радиоактивным маркером этих рек. Для
района стока рек Енисей и Пясина таким маркером будет служить торон. Торон также
является радиоактивным маркером реки Лена в море Лаптевых.
Установлена положительная корреляция между концентрациями радона и торона
(т.е. концентрацией речных вод) и солеостью, указывающая на роль материкового стока
в их накоплении в морских водах и потенциально в донных осадках.
Донные осадки, полученные в ходе рейса, будут подвергнуты гамма-
спектрометрическому анализу на радиоизотопный количественный и качественный
состав. Будет определена зависимость выхода радона и торона (продуктов эманации Ra-
226 и Ra-224) из осадков в воду.
Уровни содержания Cs-137 в морской воде по данным предварительных гамма-
спектрометрических измерений составили 0,5-2,5 Бк/м3 (с погрешностью измерения 30 -
50%). Наиболее высокие удельные активности были получены для проб воды из
Карского моря и эстуария Оби, что может говорить о наличии дополнительного
потенциального источника радионуклидного загрязнения в истоках реки. Однако в целом
это соответствует современным фоновым значениям для арктического региона.
Ожидается, что при сопоставлении уровней содержания и форм миграции
основных техногенных радионуклидов (в частности, Cs-137 и изотопов Pu-239, 240) в
морской среде и на геохимических барьерах зон смешения морских и речных вод с
уровнем и формами глобальных стратосферных выпадений в северном полушарии,
возможно будет получить информацию о наличии и особенностях распространения
«речного сигнала» в арктических морях.
Удельная активность Cs-137 в поверхностном слое 0 — 2 см осадков по данным
предварительных гамма-спектрометрических измерений для проб из всех районов
исследования оказалась ниже минимально детектируемой активности при средней
экспозиции 1,5 суток, что составляет менее 30-40 Бк/кг сухого веса и зависит от
содержания в пробе Ra-226.
11 С гидроакустическими работами пройдено 111100 км. Было совершено более
1000 пересечений курса судна с сипами, 100 из которых совершены впервые.
Мониторинг обнаруженных ранее сипов показал, что известные сипы на сегодняшний
день увеличили или сохранили свою активность.
12 Все пять сейсмостанций МПССР, поставленные в рейсе АМК-73 в 2018 году
подняты на борт судна. Для экспозиции в 2019-2020 гг. установлены 3 донные
сейсмостанции (две МПССР и одна Тайфун). В комплекте одной сейсмостанции
установлен мареограф RBR virtuoso3 D.
По предварительным результатам обработки записей уровень сейсмичности на
шельфе моря Лаптевых подтвердился. Наблюдается примерно десяток достаточно
качественных сигналов от микроземлетрясений в сутки. Неожиданным результатом
оказался уровень сейсмичности в Восточно-Сибирском море, полученный благодаря
тестовой трехдневной постановке в районе сипового полигона. Выяснилось, что число
зарегистрированных в Восточно-Сибирском море микроземлетрясений в сутки вполне
сопоставимо с шельфом моря Лаптевых. Этот предварительный результат требует более
тщательной проверки, и может стать основанием для пересмотра концепции
представления Восточно-Сибирского шельфа как пассивной континентальной окраины.
13 Общий объем геофизических исследований составил более 750 морских миль.
Регистрация рельефа дна высокоразрешающим гидроакустическим комплексом показала
широкое распространение на дне проявлений опасных геолого-геоморфологических
процессов, в первую очередь, связанных с повышенной газонасыщенностью.
14 В ходе электроразведочных работ удалось получить около 9000 погонных
километров профилей зондирования. На их основе в дальнейшем будут сделаны выводы
о глубинном строении мерзлоты изученной части арктического шельфа.
Участники экспедиции
1. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский
океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской
академии наук (ТОИ ДВО РАН)
2. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт
океанологии им. П.П. Ширшова РАН (ИО РАН).
Форма участия и роль в экспедиции: проведение геофизических исследований
3. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геохимии и
аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН (ГЕОХИ РАН).
Форма участия и роль в экспедиции: участие в геологических, геофизических и
газогеохимических исследованиях.
4. Федеральное государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Национальный исследовательский Томский
политехнический университет» (ТПУ).
Форма участия и роль в экспедиции: научно-образовательная деятельность
студентов, магистров, магистрантов и аспирантов ТПУ по радиоизотопному,
геологическому и биогеохимическому направлениям исследований.
5. Федеральное государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Московский государственный университет им. М.В.
Ломоносова» (МГУ), Центр морских исследований (ЦМИ) и геологический факультет
(ООО «МГУ-геофизика»).
Форма участия и роль в экспедиции: гидробиологические работы, обеспечение
электроразведочного зондирования подводной мерзлоты, обеспечение производственной
деятельности студентов и аспирантов МГУ.
6. Национальный научный центр морской биологии (ННЦМБ).
Форма участия и роль в экспедиции: обеспечение гидробиологических работ.
7. Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы
биотехнологии» РАН, Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского (ФИЦ ФОБ
РАН).
Форма участия и роль в экспедиции: выполнение микробиологических
исследований.
8. Национальный исследовательский университет Московский физико-технический
институт (МФТИ).
9.Сколковский институт науки и технологий (СИНТ).
Форма участия и роль в экспедиции: выполнение исследований донной
криолитозоны.
10. Северный (Арктический) федеральный университе т им. М. В. Ломоносова (САФУ).
Форма участия и роль в экспедиции: прохождение научно-производственной
практики студентов.
11. Стокгольмский университет, Швеция (Stockholm University, Department of Applied
Environmental Research (SU ITM, Sweden).
Форма участия и роль в экспедиции: обеспечение аналитическим оборудованием и
расходными материалами. Планируется совместная обработка образцов воды, воздуха,
донных осадков и взвеси в лабораториях Стокгольмского университета в соответствии с
долгосрочным Договором о научном сотрудничестве между ТОИ ДВО РАН и
12. Стокгольмским университетом.
Первый Институт океанографии (First Institute of Oceanography) при
государственной морской администрации Китайской Народной Республики (The First
Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, People’s Republic of China) (FIO).
Форма участия и роль в экспедиции: обеспечение аналитическим оборудованием,
пробоотбрниками донных осадков и расходными материалами. Проботбор донных
осадков и взвеси. Планируется совместная обработка образцов донных осадков в
лабораториях института в соответствии с долгосрочным Договором о научном
сотрудничестве между ТОИ ДВО РАН и FIO.
13. Третий Институт океанографии (Third Institute of Oceanography) при
государственной морской администрации Китайской Народной Республики (The First
Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, People’s Republic of China).
Форма участия и роль в экспедиции: участие в пробоотборе донных осадков и
взвеси.